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1、科学创新振兴M E M S 技术及发展建言徐开先( 沈阳仪表科学研究院)摘要：本文概述了M E M S 技术的定义、研究内容、发展趋势度应用，井对发展我国M E M S 技术提出了若干建言。M E M S 技术之所以越来越引起业界的广泛重视与共识，是因为M E M S 技术彤晟的产品具有a t e _ 化、高性价比、能大批量生产且与I c 技术兼容等特点而成为一个全新的技术领域。现将M E M S 技术的一些基本情况概述如下，并对我国M E M S 技术的发展提出看法。1M E M S 的一些基本概念11 定义目前对M E M S ( M i c r oE l e c t r O nM e c
2、 h a n i cs y s t e m s ) 的定义尚无一个统一的标准，通常有几下几种：1 1 1 广义讲M E M S 是指集微传感器、微执行器、信号处理及控制电路、接口电路、通讯电路和电源于一体的完整的微型机电系统。它可将机械构件、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。1 1 2 狭义讲( 1 ) M E M S 专指构成元件尺寸是微( 纳) 米量级的可控制、可运动的微型机电系统。( 2 ) 或指用微米纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的系统。( 3 ) 从工艺看，M E M S 是用微电子技术、微加工技术( 硅体微加工、硅表面微加工、L I G A 技术、键合技术等
3、) 相结合的制造工艺，制造出微传感器、微执行器、微驱动器及微系统。1 2M E M S 的研究内容1 2 1 基础理论研究主要研究微尺寸效应、微磨擦、微构件的机械效应。微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制方法。12 2 制造工艺研究主要研究微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配、微测量技术等。 目前世界上制作M E M S 器件的工艺技术主要有三种：第一种是以美国为代表的利用化学腐蚀或I c 工艺，对硅材料进行加工，形成硅基M E M S 器件。国内目前主要利用该方法研究M E M S 器件，该方法可比与 I c 工艺兼容，可实现微机械和微电子的系统集成，适舍批量生产，成为制备
4、M E M S 器件的主要技术；第二种是以德国为代表的L I G A 技术( 德文L i t h o g r a p h i e - - 光刻，G a l v a n o f o r m u n g - - 电铸，A b f o r m a n g - - - 铸塑三 个词的缩写) ，它利用X 射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑工艺形成深层微结构的方法，制作M E M S 器件。该方法需一套独特的工艺装备，但可制作深刻蚀器件；第三种方法以日本为代表，利用传统的机械加工手段，即利用“大机器”制造“小机器”，再用“小机器”制造“微器件”。1 2 3 应用研究主要是研究M E M S 器件，如微传感器
5、、微电机、微型阎、微加速度计、惯性器件等的应用方法，特别是研究其应用领域的拓展和应用中出现的问题，可靠性和稳定性问题是应用过程中主要研究的内容之一。1 3M E M S 的发展趋势1 3 1 系统单片集成化即将敏感器件( s e n s o r ) + 专用集成电路( A S I C ) ，集成在同一芯片上，以提高M E M S 器件的灵敏度4 科学创新振兴和可靠性。美国A D 公司生产的集成加速度传感器就是如此。1 3 2 制备工艺多样化研究M E M S 器件的各种制备工艺，如：体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、L G A 工艺( 光刻、电铸和铸塑) 、声激光刻蚀、非平面电子束光刻、
6、镀膜( 溅射) 工艺、硅一硅键合工艺、电火花加工、 微量切削等等，新工艺层出不穷。沈阳仪表科学研究院最近研制成功的“喷淋”腐蚀工艺( 和装备) 、带油电阻焊接等，都取得了较好效果。1 3 3 研究方向广泛化对M E M S 的研究，不仅涉及基础理论、制备工艺和器件应用，更涉及到一些新兴学科和一些前沿技术的综合分柝和应用。M E M S 技术在许多领域引发了一场“微小型”革命。特另4 是M E M S 器件的应用十分广泛，从几次大型的国际会议，其研究方向大约有十余个方面，如微传感器力、热、磁、光、声、化学、生物器件等；微执行器微型泵、微阀、微轴承、微电机、微探针等；惯性器件微加速度、陀螺等。特别
7、是在军工方面的应用更为军界所重视。1 34 追求器件实用化M E M S 器件实用化有二个概念。一是器件有良好的性能价格比，能进行批量生产，M E M S 器件与I c芯片不同，M E M S 器件一般都有活动部件，必须考虑在生产过程中的成品率问题。因此器件的结构形式和封装水平，对器件的实用影响甚大，应引起高度重视。另一方面必须考虑M E M S 器件在应用时的可靠性问题，特别是在器件的设计、制造劐具体应用的各个环节都需考虑器件的可靠性问题。包括M E M S 器件的测试标准和测试方法的研究。1 4M E M S 的应用1 4 1 工业自动控制领域M E M S 器件在工业自动控制领域有着广阔
8、的应用前景。特别是对“温度、压力、流量”三大参数的检测与控制，M E M S 器件大有“用武之地”。目翦普遍采用的微压力、微流量和徽测温器 牛，对些技术要求高，应用场合特殊的条件，M E M S 器件就有其特殊的优势。1 4 2 生物医学领域M E M S 器件在生物医学领域的应用越来越广泛，如微型血压计、神经系统检测、细胞组织探针、生物医学检测。并证实M E M S 器件具有再生某些神经细胞组织的功能。1 4 3 光电领域A g e r e 公司推出业界首款三维M E M S 系统。该系统有微镜像开关、驱动器芯片等一系列器件构成，集 光、电、微机械和微封装于一体，优势是能够简化交换设备和交叉
9、联接光纤联网系统的设计和制造，大大加快全光网技术和设备的发展。 M E M S 器件应用数字光处理器件I D L P ) ，该产品的核心是数字微镜器件( D M D ) 光半导体芯片。目前全球已有柏家著名的T V 和放映设备厂开始采用D L P 子系统，I G 公司展示了3 款采用D L P 子系统的5 2英寸彩电。 日本航空电子研究的O A D H 元件，使用于D W D M 通讯系统中，用于筛选出某个波长信号或者迭加信号。1 4 4 生活家庭领域汽车安全气囊、汽车用各种参数检测中微传感器；游戏机系统。在游戏机中，M E M S 芯片组成的器件可以取代游戏机中各种链杆或按键，使用者只需改变这
10、种器件的位置，即可随心所欲地控制整个游戏过程。1 4 ，5 军工领域M E M S 器件的军事应用越来越受到军界的重视，应用十分广泛。科学创新- 振兴( 1 ) 射频元器件。基于M E M S 的开关、滤波器、可变电容、电感等射频元器件已取得实质性进展， 将在军用相控阵雷达、无线通讯中率先应用。( 2 ) 燃料电池。利用M E M S 技术研发的，微型燃料电池、处理器、超级电容器体化装置，都已有了样品，美国防部估计，2 0 0 3 年需要配置在便携式军用电子装备上的电池应达到1 0 0 0 w h k g 到2 0 0 6 年需上升到3 1 0 0w h k g 。当今最好的锂电池也达不到如此
11、要求，国外正在剥用M E M S 技术研制实用化的、高效率的微型燃料电池。( 3 ) 制导弹药。M E M S 惯性器件仍被列为国防关键技术予以发展。国内外已经开始小批量生产硅微机械振动陀螺和硅加速度计构成的M E M S 惯性测量装置，用于近程导弹。国外正在加速研制高精度、低成本、集成化、抗高冲击的M E M S 惯性测量装置。研究在芯片上制造光纤陀螺、企图在一块芯片上实现 I N S 、扩展I N S 应用范围，为作制导的炮射弹药( 榴弹炮弹、追击炮弹、火箭炮弹等) 提供廉价一次性的制导和控制，提高打击精度。( 4 ) 电子引信。采用M E M S 技术能在硅片上制作传感器、定时器、开关和
12、控制元件。甚至可集成电雷管最核心的部件电桥，最终形成内在质量好，可靠性高、更安全的固态电子引信。在引信设计中，包括保险装置在内的M E M S 引信的尺寸将缩减到当前引信的1 0 ，所用部件减少4 0 ，重量至少减轻6 0 ，使引信产生划时代的变革。 ( 5 ) 仿生机器人。仿生机器人是借助于M E M S 技术进行开发研究，模仿动物或昆虫的生物形态、结构、习性行为的电子装置，可执行间谍、窃听、拍照、目标搜索、毒气探测、地雷探测等人无法达到或相当危险环境内的任务，甚至可根据需要引爆自身与敌同归于尽的目的。正在开发的仿生机器人项目有仿真苍蝇、蝙蝠、金枪鱼、龙虾等。( 6 ) 微飞行器。微飞行器M
13、 A V 集M E M S 、航空电子、飞行力学、推进器技术于一体，在战场前沿用 于侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等军事用途。今后数年内，研制的目标是M A V 的长宽高不超过1 5 0 M M 3 ，重量l o 1 2 0 9 ，续航时间2 0 一- 6 0 m i n ，巡航速度3 0 - - - 6 0 k m h ，有效载荷l 2 0 9 ，最大飞行距离1 0 k m ，实现图像传输，可自主飞行。 ( 7 ) 微纳卫星。利用M E M S 技术，可将常规卫星上的许多部件微型化，例如气相分析仪、环形激光光纤陀螺、图像传感器、微波收发射机、电动机、执行器等，制作成专用集成微型部件或仪
14、器，甚至在同一芯片上构成芯片级卫星，提高卫星信息获取和防御能力，降低卫星制作发射成本。国外相继展开军用 M E M S 基础研究与应用探索，军用M E M S 已不再是一个纯技术概念，能涉及到的新原理、新功能、新结构非常多，并包括各种微型传感器、敌我识别系统，数据存储系统、微显示器、小型分析仪、微型火箭、微自适应流体控制机构等具体装置。2 发展我国M E M S 技术的几点建言2 1发展M E M S 技术必须与我国的国情相结合，走中国特色的发展M E M S 技术之路我国M E M S 技术的现状是：国家对M E M S 技术的重视不够，资金投入严重不足，M E M S 技术的研究处于低级阶
15、段，M E M S 技术的应用刚刚起步，从事M E M S 技术研发的工程技术人员不多，高级人才严重匮乏，国内从事M E M S 技术研究的部门分散，缺乏统筹规划和整体策划。 在M E M S 技术的发展上要重视历史教训，不能再走“造船不如买船，买船不如租船”的老路。M E M S技术是一种高技术，而且在军事应用上的作用日趋显现，国外不可能“转让”，不可能“引进”，即使“花钱”也买不到真正的“核心技术”，不可能有我国自主知识产权的技术，这一点希望国家有关主管部门要有清醒、明确的认识。 在发展M E M S 技术上必须走中国特色之路。即坚持独立自主，发挥国内优势，重视技术“原创”，军工优先，军民
16、结合，统筹规划，加强合作，拓展应用，搞活人才。4 4 1科学创新振兴2 2 发展M E M S 技术，必须以市场为导向，与产品福结合M E M S 技术能否在国内快速、蓬勃发展，取决于由M E M S 技术形成的产品，能否在国内外市场、军用或民用市场有一席之地，能否迅速形成产业，能产生效益，对国民经济的发展产生良好的促进和催化作 用，能充分体现M E M S 器件性价比优良和规模生产的特点。“科学不等于技术，技术不等于产品，产品不等于市场，市场不等于效益。”那种“纯技术”的研究、“学院式”的研究，是没有生命力的，也不会长久的。因此，必须找到M E M S 技术与产品相结合的突破点，选择量大面广，工艺上又能实现，难度适中，应用面较广的产品，集中优势，集中力量，集中时间，进行全方位的攻关。突破技术难点和应用难点，从M E M S 器件的设计一制备工艺一标准制定一检测方法一应用技术，等方面进行攻关，从国内目前情况看，就民用M E M S 器件而言，应集中工业
